Введение. Вся жизнь человека протекает в воздушном океане. Поэтому многие атмосферные процессы издавна известны людям. Но человек чаще всего обращает внимание на те явления, которые непосредственна воздействуют на него. К ним, например, относится ветер, дождь или снег, резко изменяющиеся температура и влажность. Имеется, однако, более тонкая область метеорологии, в которой не используются привычные нам метеорологические категории и понятия, но без которой представление о метеорологии не было бы полным. Она включает в себя многие красочные оптические явления — многоцветные, иногда поразительные и причудливые видения, проявляющиеся в виде свечений, гало и дуг, бликов и столбов полярного сияния. Особенно великолепное зрелище представляют собой полярные сияния. Они создают на небе своего рода воздушный гобелен, который природа украшает постоянно меняющимися цветными узорами. Эту часть метеорологии принято называть атмосферной оптикой, поскольку все перечисленные выше явления есть результат оптического взаимодействия лучей света с атмосферой. Взвешенные в воздухе частицы пыли, дыма, соли, льда и воды, вихревые течения воздуха различной плотности искривляют лучи Солнца, отражают их, преломляют, поглощают и рассеивают. Возникают удивительные картины — результат оптического волшебства, которое заставляет нас иногда видеть предметы там, где их нет, и даже дает возможность увидеть то, чего нет в действительности.

417. Что такое видимый свет? Видимый свет — это определенная часть спектра длин волн в общем спектре электромагнитных колебаний. Глаз человека способен видеть лишь небольшую часть волн солнечного спектра, но только она способна возбуждать наши органы зрения и воспроизводить изображения предметов.

418. Как распространяется свет? Свет распространяется в виде волн. Эти волны называются поперечными. Перемещение их подобно перемещению волн на колеблющемся флаге: волны пробегают от одного конца флага к другому, в то время как само колебание происходит в поперечном направлении. Поперечные волны можно легко получить с помощью веревки, если один конец ее привязать к стойке, а свободный конец приводить в колебательное движение. Несмотря на то что сама веревка колеблется только вверх и вниз, волна пробегает от руки к стойке.

419. Какой диапазон длин волн охватывает видимая часть спектра? Световые волны являются результатом колебаний многих миллионов электронов, совершающих быстрое движение вокруг ядер атомов. Число волн в секунду, или частота колебания, определяется путем деления скорости света (300 000 км/сек.) на длину волны. Самая большая длина волны видимого участка спектра — около 8-10-4 мм, а самая малая — около 4-10-4 мм. Это означает, что световые волны имеют частоту от 400 до 750 триллионов колебаний в секунду.

Таким образом, способность глаза воспринимать электромагнитные волны крайне ограничена. Большая часть энергии остается невидимой. Сюда относятся самые короткие волны — гамма, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения, а также самые длинные волны — тепловые и радиоизлучение.

420. Что такое цвет? Световые волны всех длин перемещаются с одной и той же скоростью. Поэтому, как было показано выше, более короткие волны будут иметь большую частоту, чем более длинные. Цвет представляет собой физиологическое восприятие определенной частоты видимой части спектра электромагнитных колебаний.

Белый свет — результат восприятия всего видимого участка спектра длин волн, самая длинная из которых вызывает ощущение красного цвета, а самая короткая — фиолетового.

Спектр электромагнитных колебаний является не прерывным, но глаз способен разделять его на семь определенных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Эти цвета плавно переходят друг в друга. Белый свет, представляющий по существу все цвета видимого спектра, может быть разложен на составляющие путем пропускания его через трехгранную стеклянную призму или любое тело из прозрачного вещества, имеющее непараллельные стороны. Разложение света на составные цвета называется дисперсией света. Дисперсия наблюдается при некоторых явлениях погоды и объясняется присутствием в это время в атмосфере многочисленных частиц, которые вызывают дисперсию света, поступающего от солнца.

421. Обладает ли в действительности цветом тот или иной предмет? Цвет — это не нечто такое, что существует в предмете, а ощущение, создаваемое в мозгу светом, поступающим в глаз от объекта.

Предметы обязаны своим цветом тому, что они поглощают из белого света определенные длины волн и отражают или рассеивают другие волны. Последние и создают в нашем мозгу ощущение цвета. Следовательно, цвет определяется длиной волны, которая отражается телом в направлении глаза. Некоторые тела обладают способностью отражать волны различной длины. Если предмет имеет красный цвет, то он поглощает все волны падающего на него белого света за исключением волн, которые относятся к красному участку спектра. Если такой предмет облучить светом, не содержащим красного света, например, зеленым, то предмет будет казаться черным. Прозрачные тела обладают свойством пропускать некоторые волны и поглощать другие. Их цвет определяется волнами, которые пропускаются телом.

422. Что такое отражение света? Луч света, который попадает на поверхность плотного, но прозрачного вещества, как, например, стекло, вода или чистый лед, частично отражается, а частично проходит через него. Первая часть этого процесса носит название отражения. От отражающей поверхности свет отражается под тем же углом, под которым он падает, наподобие того, как отскакивает шар от борта бильярдного стола.

423. Что такое преломление, или рефракция, света? В среде, которая имеет одинаковую плотность и состоит из одного и того же вещества, свет распространяется прямолинейно. Когда же луч света переходит из одной среды в другую, он на поверхности раздела этих сред преломляется.

В атмосфере свет может преломляться, когда он проходит через слои с различной температурой и плотностью. Он может также искривляться под действием тончайших ледяных кристаллов в перистых облаках Эти кристаллы действуют на белый свет как призмы, разлагая его на различные цвета спектра и изменяя его путь. Преломление белого света происходит также и на водяных каплях. При этом наибольшему преломлению подвергается фиолетовый, а наименьшему — красный свет. Разложение белого света на составляющие за счет неодинакового преломления волн различной длины происходит под действием рефракции света. Именно рефракция является причиной образования радуги, а также солнечного и лунного гало.

Рефракция лежит в основе многих оптических явлений, возникающих в атмосфере. Атмосфера всегда находится в движении и состоит из слоев воздуха с различной плотностью, которые являются как бы большими естественными линзами, преломляющими поступающий солнечный свет.

424. Что называют дифракцией света? Дифракция — это разложение лучей света на темные и светлые кольца или на цвета спектра, когда луч изгибается на краю непрозрачного предмета. Это интересное явление приводит к тому, что освещается некоторая часть затененной области вокруг предмета и по его контуру появляется цветное или беловатое сияние. Интенсивность преломленного света зависит от угла отклонения луча. Чем он больше, тем меньше интенсивность света. Дифракция света способствует образованию в определенных облаках вокруг солнца и луны свечения, называемого короной.

425. Почему небо голубое? Лучи видимой части солнечного света, проходя через атмосферу, рассеиваются мельчайшими частицами примесей и молекулами воздуха. В идеально чистой атмосфере, когда рассеяние можно считать чисто молекулярным, в рассеянном дневном свете преобладают цвета голубых оттенков. Поэтому наблюдатель видит небо голубым.

426. На каких высотах дневное небо перестает казаться голубым? Концентрация молекул воздуха очень быстро уменьшается с высотой. Следовательно, интенсивность рассеянного света с увеличением высоты падает. На некоторой высоте молекул становится настолько мало, что они не могут вызвать заметного рассеяния даже самых коротких волн. Поэтому цвет неба меняется следующим образом. Днем на высоте приблизительно 20 км небо над горизонтом имеет беловатый цвет из-за дымки. На высоте около 25° над горизонтом оно становится небесно-голубым. С увеличением угловой высоты цвет неба постепенно становится темно-фиолетовым, почти черным. Ветеран аэронавтики майор Стефенс, достигший в 1935 году на стратостате высоты около 22 км, описал потемнение неба выше тропосферы следующим образом: «… На самой большой угловой высоте, которая еще позволяла производить наблюдения, небо становилось очень темным. Я не сказал бы, что оно совсем черное. В нем можно обнаружить темно-голубой оттенок». Один из аэронавтов военно-морского флота США, поднявшийся на высоту более 23 км, сообщил, что «было темно, как ночью».

427. Что является причиной сумерек? Сумерками называется период времени от захода солнца до полной темноты (вечерние сумерки) или от ночной темноты до восхода солнца (утренние сумерки). После захода или перед восходом солнца лучи его света отражаются молекулами воздуха и примесями и слабо освещают Землю. Бывают сумерки гражданские, навигационные и астрономические. Гражданские сумерки оканчиваются, когда солнце садится за горизонт более чем на 6°. Конец навигационных и астрономических сумерек наступает тогда, когда солнце опускается ниже соответственно 12 и 18°. Иногда в западной части неба вовремя сумерек бывает видно зарево или сияние, которое называется зарей. Заря появляется благодаря рассеянию солнечного света очень мелкими частицами пыли, взвешенными в верхней атмосфере.

428. Что такое граница сумерек? Границей сумерек называют наибольшую высоту, на которой плотность воздуха такова, что он рассеивает еще ощутимое количество солнечного света. Она располагается на высоте приблизительно 65 км над поверхностью Земли.

429. Почему во время сумерек, восхода и захода солнца небо окрашивается? Когда солнце стоит низко, его лучи проходят через большую толщу нижней замутненной части атмосферы и, следовательно, теряют самые короткие волны, соответствующие голубому, синему и фиолетовому цветам. В этот период преобладают цвета, которые относятся к более длинным волнам видимой части солнечного спектра. В чистом сумеречном небе появляются полосы бледно-зеленого цвета, переходящего постепенно в более низких слоях атмосферы в желтоватый и розовый оттенки. Слои атмосферы, соприкасающиеся с земной поверхностью, приобретают иногда ярко-красную окраску, особенно там, где солнце село или где оно скоро взойдет. Красноватый или розоватый тона рассеянного света часто отражаются к земле облаками, особенно находящимися сравнительно высоко ледяными облаками, что придает земному ландшафту темно-красный оттенок.

430. Почему солнце бывает красным? Оранжевый или красный цвет опускающееся за горизонт или восходящее солнце приобретает потому, что лучи его света, попадающие в наш глаз, проходят большое расстояние в плотных замутненных слоях атмосферы, которые рассеивают свет болee коротких длин волн. Остаются лучи только красного цвета. Как только солнце поднимается выше, лучи света проходят на пути к наблюдателю через меньшую толщу плотной атмосферы, и красные тона ослабевают.

431. Почему луна у горизонта часто имеет оранжевый цвет? Причина такой окраски луны та же. Когда луна располагается низко, ее свет проникает через нижние плотные слои атмосферы, где дым, пыль и другие частицы ослабляют волны, соответствующие голубым оттенкам. Когда луна поднимается выше, красноватые тона блекнут, и поверхность луны, усеянная кратерами, окрашивается в серебристый цвет.

432. Почему солнце и луна кажутся у горизонта намного больше? Когда солнце или луна поднимаются в небе, то кажется, что их диаметр все время уменьшается. Это кажущееся уменьшение размеров небесных тел представляет собой замечательную оптическую иллюзию. Она чрезвычайно сильна и трудно поверить, что измерения солнца и луны приборами показывают неизменность их угловых размеров. Ощущение, что их диаметр изменяется, появляется оттого, что, например, солнце проектируется наблюдателем на сплюснутый небесный свод. Чем ближе к наблюдателю небесный свод, тем меньше проекция солнца на его поверхности, и наоборот.

433. Действительно ли солнце появляется над горизонтом, когда фактически оно еще не взошло? Да, это так. Когда солнце еще или уже находится за горизонтом, мы видим его полное изображение. Это явление — результат атмосферной рефракции. Луч света при прохождении из менее плотных слоев атмосферы в более плотные искривляется в результате преломления. Таким образом, лучи, идущие от солнца, попадают в глаз наблюдателя еще до того, как солнце взошло над горизонтом. Наблюдатель видит светило не на том месте, где оно находится, а в некоторой другой точке небесной сферы по направлению касательной к траектории луча, т. е. выше его действительного положения. Из-за этого на несколько минут увеличивается продолжительность дня.

434. Что такое зеленый луч? Зеленый луч — это внезапная яркая вспышка зеленого света во время захода солнца. Она наблюдается при безоблачном небе, когда воздух очень чист и горизонт резко очерчен. Как только солнце скрылось за горизонтом, его лучи разлагаются на отдельные цвета. В результате неодинакового преломления световых волн различных длин горизонт быстро (в течение нескольких секунд) как бы последовательно отрезает лучи разных цветов: сначала красный, затем желтый, зеленый и голубой. Создается впечатление внезапного перехода света от белого к зеленому или иногда зелено-голубому.

435. Что является причиной появления гало? Очень красивые кольца вокруг солнца (солнечное гало) или луны (лунное гало) всегда указывают на присутствие в верхней тропосфере некоторых форм перистых облаков. Эти облака располагаются на высоте около 9— 11 км над поверхностью земли, где наблюдается очень низкая температура воздуха, и состоят из мириадов микроскопических кристаллов льда. По отношению к лучам, идущим от солнца или луны, эти кристаллы являются миниатюрными призмами, изгибающими или преломляющими лучи света и разлагающими его на различные цвета.

436. Что представляет собой гало? Наиболее часто в перистых облаках наблюдается гало, радиус которого имеет угловые размеры 22°. Оно представляет собой круг, который симметрично расположен вокруг солнца и имеет радужную окраску. Внутренняя сторона его окрашена в красный цвет, который постепенно сменяется желтым, зеленым и, наконец, голубым на внешней стороне круга. Гало образуется следующим образом. Многочисленные крошечные ледяные кристаллики представляют собой разнообразные шестигранники. Когда свет солнца или луны попадает на одну из граней, он проходит через кристалл к противоположной грани по кратчайшему расстоянию, причем направление луча меняется на 22°. Наименьший угол отклонения имеет красный луч, а наибольший — голубой. Часто разделение цветов не столь ярко. Это характерно для лунного гало, которое в результате диффузного смешения цветов имеет вид бледного беловатого кольца.

437. Почему гало бывают различных размеров? Особенности и размеры гало определяются структурой ледяных кристаллов в перистых облаках. Они могут иметь форму шестигранных призм, пирамид, пластинок и т. д. Следовательно, проходящие через них лучи могут отклоняться под различными углами. Так, например, вокруг солнца и луны иногда образуется гало с радиусом 46°.

438. Что такое паргелийный круг (горизонтальный круг)? Это гало, имеющее вид едва заметного белого круга, проходящего через солнце и параллельного горизонту. Он называется паргелийным кругом (от греческого para helios — рядом с солнцем). Этот круг образуется в результате отражения, а не преломления лучей, когда имеется достаточное количество кристаллов, обладающих зеркальной отражающей поверхностью.

439. Что такое ложные солнца и луны? Иногда на паргелийном круге появляются два ярких пятна, напоминающие отражения солнца или луны. Одно из них находится справа, а другое слева от солнца или луны, на пересечении паргелийного круга с 22-градусным гало. Эти своего рода призраки солнца называются паргелией (побочными солнцами) или ложными солнцами.

Подобное явление у луны носит название параселены или ложных лун. Ложные солнца могут иметь окраску: красную на стороне, ближайшей к солнцу, и голубую — на противоположной стороне. Окраска появляется потому, что кристаллы, образующие паргелийные круги, преломляют свет.

440. Что такое солнечные столбы? Солнечные столбы — это блестящие столбы света белого или красноватого цвета, располагающиеся ниже и выше солнца. Наиболее часто их можно увидеть во время захода или восхода солнца. По-видимому, они появляются в результате отражения лучей солнца от верхних и нижних поверхностей быстро вращающихся небольших плоских ледяных кристаллов. Если солнце стоит низко, столбы имеют такую же, как и оно, окраску, т. е. окрашены в красный цвет. Особенно интересное оптическое явление можно увидеть, когда вместе со столбами образуются и паргелийные круги. Тогда возникает редко наблюдаемое замечательное явление — солнечные кресты. Они имеют вид блестящих световых крестов, в центре которых располагается солнце. Столбы, связанные с луной, называют лунными столбами.

441. Что такое корона? Не все облака состоят из кристаллов льда. Большинство из них представляют собой скопление мельчайших капелек воды. Капельки таких облаков могут являться причиной дифракции света. Когда в облаке происходит дифракция света, он как бы разливается вокруг капли и освещает некоторую часть теневой области в ней. В сочетании с дифракцией рефракция света образует серию концентрических разноцветных колец вокруг солнца или луны, называемую короной. Кольца расположены очень близко к источнику света и обычно имеют диаметр всего несколько градусов.

Размеры короны обратно пропорциональны величине капель чем мельче капельки, тем больше корона, и наоборот. Окраска короны противоположна окраске гало: на ее внешней стороне располагается красный цвет, а на внутренней — голубой. Если капли исключительно мелкие, могут образоваться две серии колец.

Корону часто путают с гало, хотя разница между ними очевидна. Следует помнить, что у гало между солнцем и кругом располагается сравнительно большое неокрашенное пространство. Корона тесно охватывает солнце или луну. Наиболее яркой является солнечная корона. Она очень хорошо видна, если смотреть через светофильтр. Когда лунная корона развита слабо, виден ореол — бледно-голубой диск с тусклым коричневым обводом.

442. Каковы условия образования радуги? Для появления этой красивой многоцветной дуги необходимы следующие условия:

1) в воздухе должно быть много водяных капель, главным образом из облаков, дающих ливневый дождь;

2) должно светить солнце;

3) наблюдатель должен находиться между солнцем и дождевым облаком.

443. Каковы цветовые характеристики радуги? При описанных выше условиях на фоне ливневых облаков можно увидеть две радуги — внутреннюю (главную) и наружную (побочную). Каждая из них имеет вид примыкающих друг к другу дуг, которые содержат основные цвета видимого спектра. Дуги имеют общий центр, располагающийся на прямой, соединяющей солнце и глаз наблюдателя, т. е. находящийся в противоположной от солнца точке. Внутренняя радуга является более яркой. Внешний край ее окрашен в красный цвет, который плавно переходит в оранжевый, желтый и т. д. по порядку цветов спектра. Окраска побочной радуги обратная: красный цвет располагается внутри, а голубой на внешнем краю.

444. Что такое вторичная радуга? К фиолетовому краю главной радуги иногда примыкают дуги вторичной радуги. Эти дуги окрашены чаще всего в зеленые и красные цвета. По мере удаления of главной радуги вторичные дуги становятся ближе друг к другу. Их интенсивность уменьшается. Обычно наблюдается от одной до четырех вторичных дуг. Вторичные дуги могут быть обнаружены и с внешней стороны побочной радуги.

445. Каковы размеры радуги? Число дуг радуги, видимых наблюдателем, определяется высотой солнца над горизонтом. Если солнце низко, т. е. если оно за спиной наблюдателя только что взошло или вскоре зайдет, можно увидеть только полкруга радуги. Радиус главной радуги составляет 42°, а побочной — 51°. Отсюда следует, что главная радуга будет видна до тех пор, пока угловая высота солнца меньше 42°. Если солнце поднимается на высоту 42°, то можно увидеть лишь верхушку главной радуги. Аналогично, когда угловая высота солнца составляет 51°, наблюдатель сможет увидеть лишь самый верхний край побочной радуги. Вот почему неопытный наблюдатель в умеренных и тропических широтах тщетно ищет радугу на фоне ливневых облаков, когда солнце находится в небе выше 51°.

446. Можно ли увидеть круговую радугу? Радугу в виде полного круга, но в малом масштабе можно увидеть в горизонтальной плоскости, например, на травяной лужайке, покрытой росой. Такая радуга называется росяной.

Такую же радугу можно увидеть с самолета на фоне находящихся под ним облаков.

447. Почему образуется радуга? Радуга образуется в результате преломления и отражения лучей солнечного света каплями воды. Главная радуга появляется тогда, когда лучи света преломляются и отражаются, входя в каплю, а затем вновь преломляются, выходя из капли. При этом они отклоняются на 42°, разлагаясь в спектр. Побочная радуга возникает в случае двойного отражения солнечного света в капле, что дает отклонение выходящего луча, равное 51°. Вследствие этого уменьшается интенсивность света и побочная радуга выглядит бледнее. Чем больше капли воды, тем отчетливее и ярче радуга.

Если крупные капли, имеющие радиус около 1 мм, образуют очень хорошо выраженные радуги, то во время тумана, когда капли в 20 раз меньше, радуга вырождается в бледную бесцветную дугу.

448. Можно ли увидеть радугу ночью? Радуга может появляться и ночью, когда источником света становится луна. Такая радуга называется лунной. Она представляет собой сочетание нежных бледных оттенков. Вследствие сравнительно небольшой интенсивности лунного света лунная радуга видна не так отчетливо, как дневная. В ясную ночь во время полнолуния у Ниагарского водопада можно увидеть дуги лунной радуги, появляющиеся на фоне туманной завесы брызг, которая образуется у водопада.

449. Каково расстояние до радуги? Задать такой вопрос — это все равно, что спросить, далеко ли созвездие Орион или Стрелец. Звезды, входящие в созвездие Орион, расположены на огромном расстоянии друг от друга и от наблюдателя находятся на различных удалениях. Так и радуга. Она так далека и так близка, как капли воды, в которых происходит преломление и отражение света. Небольшая радуга может образовываться в брызгах фонтана, находящегося в нескольких метрах от нас, а величественная и яркая — на фоне грозового облака, которое темнеет на расстоянии нескольких километров.

450. Можно ли пройти под аркой радуги? Этот вопрос может возникнуть потому, что радуга похожа на мост. Ответ на него должен быть отрицательным, так как само явление предполагает, что наблюдатель всегда находится между радугой и солнцем, расположенным за его спиной. Другое положение наблюдателя по отношению к этим двум объектам невозможно. Если приблизиться к зоне дождя, в котором образуется радуга, она исчезнет.

451. Могут ли два человека видеть одну и ту же радугу? Два человека могут видеть радугу в одно и то же время, но радуга, которую они видят, не будет одной и той же. Радуга рождается из лучей света, отраженных и преломленных в различных каплях. Она не является каким-то объектом, расположенным в трехмерном пространстве. Как только фокус или луч зрения глаза изменит положение, радуга также переместится.

Так как положение глаз двух наблюдателей не совпадает, они не могут видеть одну и ту же радугу.

452. Что такое «брокенское видение»? Это странное и впечатляющее явление впервые было замечено на горе Брокен в Германии. С высоких пиков гор Гартц оно может наблюдаться несколько раз в году. «Брокенское видение» отмечается также во многих других горных районах.

Если стоять на вершине холма или пика ранним утром или в конце дня, когда солнце всходит или заходит, т. е. находится за возвышенностью, то тень стоящего на вершине горы наблюдателя при известных условиях разрастается в колоссальную фигуру на фоне гряд облаков, дымки или тумана. Теневые фигуры повторяют все жесты и движения человека, могут быть окружены концентрическими кольцами радужного ореола, которые называются глориями, или ложными радугами. В Западном Китае набожные буддисты совершают паломничества на гору Гин-Дин (Золотой пик), чтобы увидеть так называемое «великолепие Будды» — особо яркую разновидность «брокенского видения». Подобное явление могут наблюдать пассажиры самолета. На верхней кромке облачности иногда можно увидеть мчащуюся тень самолета, окруженную радужными кольцами.

453. Что такое мираж? Мираж — это такое оптическое явление, при котором благодаря атмосферной рефракции света предметы кажутся искаженными, передвинутыми (поднятыми или опущенными), увеличенными или уменьшенными, отраженными или перевернутыми. Мираж может возникнуть, если плотность и температура приземных слоев воздуха значительно отличаются от температуры и плотности окружающего воздуха.

454. Какие бывают миражи? Миражи бывают двух типов: верхние и нижние. При верхнем мираже над удаленным предметом наблюдается одно или несколько его изображений. При нижнем мираже наблюдатель видит предметы ландшафта, а под ними — их изображение, как будто предмет отражается в воде.

455. Какое состояние атмосферы благоприятствует образованию миражей? В течение жаркого дня земная поверхность сильно нагревается, особенно сильно — в зоне пустынь.

Горячая почва, в свою очередь, нагревает прилегающий к ней слой воздуха. Таким образом, создается существенная разница между температурой (и плотностью) воздуха приземного слоя и лежащих выше слоев атмосферы. Ночью создаются обратные условия. Над пустынными районами, где почти всегда бывает безоблачное небо, в результате радиационного излучения земная поверхность сильно охлаждается и охлаждает прилегающий слой воздуха. Температура в этом слое становится ниже по сравнению с температурой слоя, расположенного выше. Такое распределение температуры по вертикали называется инверсией. В обоих случаях разности плотностей различных слоев воздуха образуют своего рода воздушную линзу, способную преломлять и отражать световые волны подобно стеклянным линзам и зеркалам.

Нижний мираж возникает во время интенсивного нагрева располагающегося у земли слоя воздуха. Верхний мираж может появиться при резкой инверсии температуры.

456. Почему в пустыне появляется «озерный» мираж? Наиболее характерным примером нижнего миража является «озерный» мираж, который возникает в очень жаркий день в пустыне. Лучи света при характерном для нижнего миража распределении температуры искривляются вверх. Поэтому, распространяясь от отдаленных предметов, они не попадают в глаз наблюдателя. Горизонт кажется удивительно суженным. У наблюдателя создается впечатление, что перед ним находится небольшой участок пустыни, а дальше, там, где должны быть еще пески, — похожее на небо белесоватое мерцающее пространство. Человек не привык видеть небо, располагающееся ниже уровня глаз, за исключением случая, когда оно отражается в воде. Следовательно, он будет воспринимать мерцающее пространство как озеро. Это впечатление усиливает дрожание перегретого воздуха над пустыней.

457. Какие еще видения возникают при нижнем мираже? Нижний мираж создает у человека ложное впечатление, будто идущий впереди него спутник погружается в мерцающее пространство. Вследствие резкого сокращения горизонта, описанного выше, спутник наблюдателя, идущий впереди по направлению к «озерному» миражу, начинает постепенно исчезать. Сначала пропадают его ступни, затем ноги, затем остальные части тела, и так до тех пор, пока он совсем не перестает быть видимым. Создается иллюзия погружения человека в воду открывающегося перед наблюдателем «озера».

При определенных условиях можно увидеть перевернутое изображение находящегося впереди ландшафта. Так как лучи света всегда искривляются от теплых слоев в сторону более холодных, в глаз наблюдателя они приходят наклонно — снизу, как будто отражаются от глади воды. Поэтому наблюдатель может видеть наряду с изображением предмета его перевернутое изображение. Так путник в пустыне иногда видит отраженные в воде отдаленные пики гор, вершины холмов и пальмовые рощи на островах иллюзорного озера.

458. Как образуется верхний мираж? Верхний мираж обычно наблюдается при резко выраженной инверсии температуры, когда над относительно холодным приземным воздухом располагается более теплый воздух. В этом случае лучи, идущие вверх из-за горизонта, изгибаются книзу и попадают в глаз наблюдателя. Горизонт расширяется и поднимается, и над ним появляется изображение очень удаленных объектов.

Если объект расположен на таком расстоянии, что наблюдатель отчетливо видит его, то над этим объектом появляется его перевернутое изображение, иногда сильно увеличенное. Этот вид миража можно увидеть над поверхностью моря весной, в теплые дни, когда температура воды оказывается значительно ниже, чем температура воздуха. В результате охлаждения слоя воздуха, примыкающего к водной поверхности, образуется инверсионное распределение температуры по высоте. При таких атмосферных условиях в воздушном «море» наблюдатель подчас видит плывущие мачтами вниз корабли.

459. Что такое фата моргана? Фата моргана — это верхний мираж, во время которого в районе Мессинского пролива над горизонтом появляются перевернутые корабли. Название произошло от имени Морган ле Фэй — мифической личности, придуманной норманскими поселенцами в Англии. По-видимому, выражение «воздушные замки» также обязано своим происхождением явлению верхних миражей.

460. Что такое сумеречные лучи? Так называют лучи солнечного света, проходящие через окна в облаках. Лучи становятся отчетливо видимыми из-за наличия в атмосфере пыли. Сумеречные лучи кажутся сходящимися в одну точку, хотя в действительности они параллельны. Иллюзия сходимости создается перспективой, как и впечатление сходимости параллельных линий на некотором удалении от наблюдателя. Название «сумеречный» присвоено этим лучам потому, что они видны во время захода и восхода солнца. “Наиболее часто эти лучи появляются тихим летним вечером, когда растекается кучевая облачность и образуются слоисто-кучевые вечерние облака, называемые в соответствии с метеорологической классификацией Stratocumulus vesperalis.

Моряки иногда называют сумеречные лучи баксибагами (оттяжками) солнца, а полинезийские аборигены — веревками Мауи. В некоторых частях Англии они известны как лестница Иакова. К сумеречным лучам, возможно, относится выражение Гомера «розовоперстное утро».

461. Какие облака называются перламутровыми? Перламутровыми называют облака, которые иногда бывают видны в сумерки в стратосфере в слое от 22 до 30 км, когда наблюдатель находится на теневой стороне Земли, а облака освещаются солнцем. Благодаря отраженному солнечному свету они начинают светиться и красиво окрашиваться.

Прекрасная расцветка этих облаков — розовый, голубой, зеленый и фиолетово-голубой с преобладанием красных оттенков — послужила причиной того, что их назвали перламутровыми. Состав этих облаков еще точно не установлен, хотя есть основания полагать, что они состоят из капелек переохлажденной воды. Если стать на эту точку зрения, то нужно решить вопрос, каким образом водяной пар проникает на такую высоту и почему продукты его конденсации находятся в жидкой фазе.

462. Что такое серебристые облака? Серебристые облака являются самыми высокими из всех наблюдаемых в атмосфере облаков. Они обладают слабым свечением, которое создается благодаря освещению этих облаков солнцем, скрывшимся за горизонтом. Серебристые облака появляются на высоте около 80 км и редко видны выше 10° над горизонтом. Эти облака, очевидно, состоят из очень мелких частичек пыли. Раньше считали, что они представляют собой скопления вулканической пыли, забрасываемой на эти высоты во время сильных извержений вулканов. В настоящее время общепринятой является теория, согласно которой они образуются из мельчайших пылинок метеорного происхождения.

463. Что такое огни Святого Эльма? Такое название дали светящемуся электрическому разряду, который наблюдается на поверхности тел, заряженных до такого высокого потенциала, что происходит пробой электрического сопротивления воздуха. Это кольцевидное или пучкообразное свечение часто можно видеть во время грозы на концах заостренных предметов, таких, как мачты кораблей, громоотводы, шпили, горные пики, ветви деревьев, верхушки дымовых труб и т. д. Название этому свечению дали моряки, которые были первыми свидетелями этого интересного явления, возникавшего на верхушках рей и мачт их кораблей (Святой Эльм — покровитель моряков).

464. Что такое свечение ночного неба? Измерения освещенности в безлунные ночи показали, что степень освещенности больше той, которую дают звезды. Это означает, что кроме звезд имеются другие источники света. Такими источниками служат: собственное свечение газов, входящих в состав воздуха в высоких слоях атмосферы, полярные сияния, радиация от частиц космической пыли, зодиакальный свет, рассеянный свет звезд и туманностей. Изучение свечения ночного неба имеет большое значение для метеорологов, поскольку оно позволяет получить сведения о составе и строении верхней атмосферы. Эти сведения включают характеристики движений, происходящих в верхней атмосфере, температуру и плотность воздуха. В настоящее время с этой целью проводится широкий круг исследований, включая выброс в атмосферу из ракет ночью на больших высотах химических веществ, таких, например, как пары натрия.

465. Что такое зодиакальный свет? Зодиакальный свет — это слабо светящийся конус, который расположен в пределах пояса зодиака (пояс на небесной сфере, по которому проходят траектории движения Солнца, Луны и планет). Зодиакальный свет появляется в безлунную ночь над западной частью горизонта сразу после окончания вечерних сумерек и над восточной частью горизонта перед началом утренних сумерек. В средних широтах он наблюдается с января по март после захода Солнца и осенью перед его восходом. В тропиках зодиакальный свет бывает виден во все сезоны. Он обычно слабее, чем свет Млечного Пути.

Зодиакальный свет все еще остается загадкой. Существует теория, согласно которой он представляет собой солнечный свет, рассеянный скоплением частиц пыли, находящихся далеко за орбитой Земли. Более современная теория утверждает, что это солнечный свет, поглощенный и переизлученный разреженными ионизированными слоями верхней атмосферы.

466. Что представляют собой «падающие звезды»? «Падающие звезды», во-первых, не падают, а во-вторых, это вообще не звезды. Верхние слои атмосферы Земли непрерывно бомбардируются метеорным веществом — частицами, которые обычно не больше песчинки. Эти частицы входят в атмосферу со скоростями от 16 до 32 км/сек. По мере вторжения частиц во все более плотные слои атмосферы их поверхность все более и более нагревается за счет трения, достигая, наконец, температуры испарения. Испаряющееся вещество оставляет в атмосфере тонкий светящийся след, образующийся на пути движения частицы до полного ее испарения. На безоблачном небе в безлунную ночь наблюдатель может увидеть от 5 до 10 «падающих звезд». Несколько большие метеорные частицы дают яркую вспышку. Их называют метеорами. Взрывающиеся «падающие звезды» называются болидами. Некоторые большие болиды достигают поверхности Земли. Падение их на земную поверхность сопровождается сильным взрывом. Такие болиды называют метеоритами.

467. Каковы причины образования полярного сияния? Полярные сияния возникают благодаря колоссальным взрывам на Солнце и другим формам солнечной деятельности. Их называют северными сияниями в северном и южными сияниями — в южном полушарии. Во время солнечных бурь извергаются потоки электрически заряженных частиц высоких энергий, которые бомбардируют ионизированные сильно разреженные газы верхней атмосферы. Последние возбуждаются и испускают сияние. Этот эффект напоминает в некоторой степени процесс, который происходит во флюоресцентных лампах. Например, красные неоновые лампы испускают свет, когда через газ, заключенный в цилиндре, пропускают пучок электронов, которые сталкиваются с атомами неона с силой, достаточной для того, чтобы вызвать свечение газа. В полярных сияниях, возникающих в верхней атмосфере, под действием заряженных солнечных частиц сияние испускают молекулы кислорода и азота.

468. Часто ли наблюдаются полярные сияния? Полярные сияния встречаются наиболее часто и бывают наиболее яркими тогда, когда на обращенной к Земле стороне Солнца появляются большие пятна. В это время на Земле наблюдаются сильные магнитные бури, во время которых нарушается и подчас полностью прекращается радио- и телеграфная связь. Эти явления подчеркивают электромагнитную природу полярных сияний.

469. На каких высотах бывают полярные сияния? Многие годы изучением полярных сияний занимался норвежский ученый доктор Карл Штормер. С помощью группы наблюдателей, фотографировавших полярные сияния с различных точек, ему удалось определить высоты, на которых они образуются. Оказалось, что полярные сияния возникают в двух основных зонах: нижняя зона располагается между высотами 80 и 320 км, верхняя — между высотами 560 и 1040 км. Нижняя зона примерно совпадает с отражающими радиоволны слоями ионосферы. Полярные сияния в верхней зоне редко могут наблюдаться в очень низких широтах.

470. Почему северные сияния бывают наиболее часто в высоких широтах? Корпускулярные потоки Солнца, двигаясь по направлению к Земле, попадают в ее сильное магнитное поле, захватываются им и стекают вдоль магнитных силовых линий к магнитным полюсам.

В северном полушарии магнитный полюс удален от географического на 20° широты. Поэтому северные сияния концентрируются в большом эллипсе вокруг магнитного полюса, границы которого захватывают полярные районы вплоть до 60–70° северной широты. К ним относятся Исландия, Гренландия, Гудзонов залив, Аляска, Берингов пролив, северная часть Советского Союза и Скандинавские страны. В этих районах северные сияния могут наблюдаться очень часто (в каждые две из трех ночей). С уменьшением широты частота сияний резко уменьшается. Над южной частью США и странами Южной Европы северные сияния бывают редко, а в тропиках встречаются чрезвычайно редко.

471. Какие существуют формы полярных сияний? Полярные сияния поразительно разнообразны по форме. Это окрашенные полосы и свечения, дуги и кольца, лучи и драпри. По внешнему виду все эти формы можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся подвижные сияния лучевой структуры. Вторая группа объединяет неподвижные, значительно менее яркие виды сияний.

472. Какие формы полярных сияний встречаются наиболее часто? Чаще всего можно увидеть полярные сияния второй группы. Она включает в себя диффузные дуги, кольца, а также сияния, не имеющие определенной формы.

473. Какой вид имеют полярные сияния лучевой структуры? Полярные сияния лучевой структуры более привлекательны и имеют более яркие цвета. Разноцветные лучи свечения веерообразно распространяются от арок на горизонте к зениту. Они то вспыхивают, то затухают, образуя на небе пульсирующее многоцветное сияние.

474. Какого цвета полярные сияния? В образовании этого изумительного явления участвуют все цвета спектра. Слабое сияние обычно бывает белого цвета. По мере того как яркость сияния увеличивается, начинают преобладать желто-золотистые тона. Нежные пастельные оттенки — вишневый, коралловый и бирюзовый — вспыхивают иногда в сияниях, имеющих вид драпри. В самых ярких полярных сияниях преобладают малиновые тона.

475. Производит ли полярное сияние какой-нибудь шум? Некоторые утверждают, что в арктических и антарктических районах во время полярного сияния слышен треск и свист. Крайне сомнительно, чтобы это было правдой, так как едва ли полярные сияния могут создавать звуковые волны на высотах, где воздух настолько разрежен, что в нем звуковая волна не способна ни возникать, ни распространяться. Другие полагают, что подобные звуки образуются во время кистевидных разрядов, возникающих в период полярного сияния недалеко от наблюдателя в некоторых частях земного шара, если воздух холодный и сухой. Третьи считают, что слышать шелестящий звук наблюдателю помогает его воображение, которое особенно разыгрывается, когда полярные сияния имеют вид красочных занавесей. Этот спор до сих пор остается нерешенным.

476. В чем причина мерцания звезд? Структура атмосферы очень неоднородна. Неоднородность эта заключается в том, что атмосфера содержит большой спектр вихрей всевозможного размера от самых больших — циклонов и антициклонов — до микровихрей — турбулентных вихрей. Последние представляют собой образования различной плотности, переносимые потоком воздуха. Эти образования оказывают на свет такое же действие, как выпуклые и вогнутые линзы, т. е. усиливают, рассеивают, отражают и искривляют лучи света. Свет звезд, пройдя через космическое пространство, попадает на эти неоднородности, и за счет указанных выше искажений световых волн происходит то усиление, то ослабление их сияния. Это явление называется мерцанием звезд. Из-за отрицательного действия неоднородных плотных слоев атмосферы астрономы устраивают обсерватории на горных вершинах, имеющих такую высоту, что искажающих свет неоднородностей там очень мало.

Меньше всего звезды мерцают в зените. Чем ближе к горизонту находятся звезды, тем больше они мерцают, поскольку свет вынужден проходить через большое число плотных слоев с разнородными свойствами. По этой же причине ввиду сильной рефракции яркие звезды, располагающиеся низко над горизонтом, меняют даже свой цвет.

Теннисон, восхищенный красочным мерцанием звезды Сириус, стоящей в Англии всегда низко, писал: «… Огненный Сириус меняет свой цвет и излучает то красный, то изумрудный свет».